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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der Optik und Mikromechanik, insbesondere
auf dem Gebiet der steuerbaren Lenkung von elektromagnetischen Strahlen,
beispielsweise für Anwendungen in Scannern und Beamern.
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Genauer
bezieht sich die Erfindung auf eine mikromechanische Einrichtung
mit Reflektionselementen, die beispielsweise einen Laserstrahl in
gewünschter Weise lenken können.
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In
der Technik ergeben sich vielfältige Aufgaben, einen elektromagnetischen
Strahl wie beispielsweise einen Laserstrahl, einen inkoherenten
Lichtstrahl oder auch einen UV-Strahl in seiner Richtung durch eine
gezielt ein- oder mehrfache Reflektion gesteuert oder geregelt zu
beeinflussen.
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Anwendungsbeispiele
sind Scanner, in denen ein Laserstrahl ein- oder zweidimensional
zu bewegen ist oder Bildprojektionsgeräte, die mit einem Laserstrahl
arbeiten wie Beamer oder Head-up-Displays, beispielsweise für
die Automobil- oder Flugbranche.
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Umlenkeinrichtungen
für derartige Strahlen müssen wegen der hohen
Winkelempfindlichkeit des Strahls sehr genau steuerbar sein.
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Eine
zweidimensionale Ablenkung, wie sie beispielsweise bei einer Flächenerfassung
durch einen Scanner oder einer zweidimensionalen Bildübertragung
notwendig ist, erfordert dabei mehrere Ablenkungsachsen für
den Strahl. Dementsprechend müssen auch Reflektionselemente
mit den entsprechenden Reflektionsflächen in mehreren Richtungen schwenkbar
sein.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
dem Stand der Technik sind hierzu mehrere mikromechanische Lösungen
für gesteuerte Spiegelanordnungen bekannt.
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Besonders
verbreitet sind dabei kardanische Spiegelaufhängungen,
bei denen ein Spiegel in einer Öffnung einer Platte drehbar
mittels Torsionsbalken aufgehängt ist und die Platte ihrerseits
in einer größeren Öffnung, um eine anders
gerichtete Achse drehbar ist. Man spricht in diesem Zusammenhang
von einer inneren und einer äußeren Drehachse,
die, wenn sie zueinander orthogonal sind, in besonders einfacher
Weise die Drehung des inneren Spiegels um beide Achsen erlauben.
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Eine
derartige Anordnung ist beispielsweise aus der
EP 0778657 A1 bekannt, wo
ein entsprechender Spiegel durch mikromechanische Fertigungstechniken
realisiert wurde. Die gesamte Anordnung wird zwischen zwei Magneten
positioniert, um mittels einer Lorenzkraft den Spiegel zu bewegen. Dazu
sind senkrecht zueinander in dem entsprechenden Wafer verschiedene
stromdurchflossene Wicklungen angeordnet, die im Feld der Magneten einer
Lorenzkraft unterliegen und somit Auslenkungskräfte für
den Spiegel in verschiedenen Schwenkrichtungen erzeugen.
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In
dem genannten Beispiel wird mit einem einzigen Magnetfeld operiert,
das, um mit senkrecht zueinander stehenden Wicklungen interagieren
zu können, in einem Winkel von 45° zu den entsprechenden
Wicklungsteilen verläuft.
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Hierdurch
ergibt sich eine gegenüber der optimalen Lorenzkraft um
1/√2 verringerte erzielbare Auslenkungskraft für
den Spiegel. Die benötigte Auslenkungskraft erweist sich
als kritische Größe, da einerseits für
geforderte Auslenkung relativ hohe Kräfte erforderlich
sind. Eine zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich aus diesem
Stand der Technik bei der Montage mehrerer Magnete, da diese aufgrund
der magnetischen Anziehungsbeziehungsweise Abstoßungskräfte
schwierig gegeneinander zu positionieren und zu fixieren sind. Im
automatischen Fertigungsprozess stellt dies erhöhte Anforderungen.
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Eine
andere Lösung ist aus der Internationalen Patentanmeldung
WO 2005078509 A2 bekannt. Dort
ist ebenfalls ein kardanisch aufgehängter Spiegel vorgesehen,
der mittels einer einzigen Spule in einem um 45° gegenüber
den Drehachsen gedrehten Magnetfeld angetrieben wird. Drehungen
um die verschiedenen Achsen werden durch Anregungen von gekoppelten
Schwingungsvorgängen um mehrere Achsen realisiert (rocking
mode).
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Auch
bei dieser Ausführungsform ist jedoch das Magnetfeld wegen
der Schrägstellung und der Verwendung für mehrere
Achsen nur in seiner jeweils auf die angesteuerte Drehachse projizierten
Größe nutzbar.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umlenkeinrichtung
zu schaffen, die eine mehrdimensionale Ablenkung eines elektromagnetischen
Strahls in konstruktiv einfacher Form und mit möglichst
reduzierten magnetischen Antriebsmitteln erlaubt.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung löst die Aufgabe mittels eines um mehrere Achsen
schwenkbaren Reflektionselementes oder zweier unabhängiger
Reflektionselemente, die um wenigstens teilweise voneinander unabhängige
Achsen schwenkbar sind und von dem Strahl im Lichtweg nacheinander
durchlaufen werden. Durch die Schwenkbarkeit der Reflektionselemente
ist damit das Überstreichen eines zweidimensionalen Winkelraums
durch den Strahl gegeben. Der Antrieb der Reflektionselemente gelingt
mit minimalen magnetischen Mitteln dadurch, dass ein Magnet mit
Flussleitelementen verbunden ist, die den magnetischen Kreis außerhalb
des eigentlichen Magneten schließen und dabei mit verschiedenen
Richtungen führen.
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Dadurch,
dass an räumlich getrennten Positionen Luftspalte vorgesehen
sind, werden in unterschiedlich gerichteten Flussbereichen des magnetischen
Flusses Streuflüsse ausgekoppelt, die entsprechend ebenfalls
unterschiedlich gerichtet sind. Mittels der unterschiedlich gerichteten
Streuflüsse können an den verschiedenen Stellen
magnetische Antriebskräfte erzeugt werden, die ebenfalls
unterschiedliche Richtungen aufweisen.
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Unter
dem Begriff Luftspalt soll im Zusammenhang mit der vorliegenden
Beschreibung entweder eine vollständige Unterbrechung eines
Flussleitelementes verstanden werden oder eine Unterbrechung, die
durch einen Körper mit geringerer Permeabilität
unterbrochen ist oder eine, Querschnittsänderung, Einkerbung
beziehungsweise scharfe Richtungsänderung in einem Flussleitelement,
die einen entsprechenden aus dem Element austretenden Streufluss
erzeugt. Auch Kombinationen aus den genannten Singularitäten
sollen unter dem Begriff Luftspalt gefasst werden.
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Beispielsweise
kann ein Luftspalt auch so gebildet sein, dass in einer Unterbrechung
eines Flussleitelementes ein zu beiden Seiten mit diesem unverbundener
Flussleitkörper angeordnet ist. Dies kann insbesondere
dann günstig sein, wenn ein Streufluss in einer bestimmten
verlängerten Form gewünscht ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich jedes
der beiden Luftspalte ein elektrischer Leiter vorgesehen, der mit
je einem der Reflektionselemente mechanisch gekoppelt und mit einem
steuerbaren Strom beaufschlagbar ist.
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In
diesem Fall wird eine Antriebskraft in Form der Lorenzkraft erzeugt,
die ein von einem elektrischen Strom durchflossener Leiter in einem
Magnetfeld erfährt. Die Leiter können Teile von
Windungen sein, die eine oder mehrere Wicklungen aufweisen, so dass
sich gegebenenfalls Stromkräfte auch addieren können.
Die entsprechenden Leiter sind dann beispielsweise mit einem Reflektionselement
direkt verbunden, so dass die Kraft als Auslenkungskraft auf das
Reflektionselement übertragen wird. Hierzu kann vorgesehen
sein, dass die entsprechenden Windungen in das Reflektionselement
eingearbeitet sind, beispielsweise wenn dieses als Teil eines Wafers
oder als Leiterplatte ausgebildet ist.
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Über
die Stromstärke in dem Leiter kann die Auslenkungskraft
sehr genau und nahezu verzögerungsfrei gesteuert werden.
Dies bringt Vorteile gegenüber einem elektrostatischen
Antrieb, der einen höheren Ansteuerungsaufwand erfordert.
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Die
Erfindung kann weiter vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, dass
der oder die Leiter im Bereich des ersten Luftspaltes im wesentlichen
senkrecht zu dem oder den Leitern im Bereich des zweiten Luftspaltes
verlaufen.
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Da
sich die Lorenzkraft aus dem Vektorprodukt zwischen dem fließenden
Strom und dem Magnetfeld ergibt, haben die bei verschiedenen Reflektionselementen
senkrecht zueinander verlaufenden Leiter zur Folge, dass die entsprechenden
Antriebskräfte unterschiedlich gerichtet sind, so dass
hierüber die Reflektionselemente um verschiedene Achsen geschwenkt
werden können, um die Strahlablenkung in voneinander unabhängigen
Richtungen zu ermöglichen.
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Die
Erfindung kann weiterhin vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden,
dass ein magnetischer Streufluss im Bereich des ersten Luftspaltes
in einem Winkel größer als 45°, insbesondere
im wesentlichen senkrecht zu dem Streufluss im Bereich des zweiten Luftspaltes
verläuft.
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Die
magnetischen Streuflüsse können somit an den verschiedenen
Stellen so gerichtet werden, dass jeweils die gewünschte
Ausrichtung der Lorenzkraft in Verbindung mit der Ausrichtung der
Wicklungen erzielt wird. Dabei ist eine Annäherung an eine rechtwinklige
Anordnung der Streuflüsse vorteilhaft, da typischerweise
die Schwenkebenen der Reflektionselemente ebenfalls senkrecht aufeinander
stehen.
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Es
kann außerdem vorteilhaft vorgesehen sein, dass je ein
Leiter in Form einer Wicklung auf eines der Reflektionselemente
aufgebracht ist und in der Reflektionsfläche verläuft.
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Dies
kann beispielsweise durch die Integration der Windungen als Oberflächenkaschierungen
bei Wafern beziehungsweise Leiterplatten geschehen, die die entsprechenden
Reflektionselemente bilden oder tragen. In einen Wafer können
beispielsweise derartige Windungen als Leiterbahnen eingeätzt
sein und das Reflektionselement kann in diesem Fall durch einen
zusätzlich verspiegelten Bereich des Wafers gebildet sein.
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Vorteilhaft
ist das entsprechende Reflektionselement mit einer Reflektionsfläche
in Form eines ebenen Spiegels versehen. Grundsätzlich sind
jedoch auch nicht ebene, beispielsweise sphärische oder
parabolische Spiegelflächen denkbar.
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Ist
ein derartiges Reflektionselement in einen Wafer eingearbeitet,
so kann gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass
ein, insbesondere beide Reflektionselemente mit einem Wafer einstückig über wenigstens
einen Torsionsbalken zusammenhängen.
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Bei
der mikromechanischen Herausarbeitung der Reflektionselemente werden
diese durch Grabenätzung vom Rest eines Wafers getrennt,
wobei ausschließlich Torsionsbalken stehen bleiben, die das
Reflektionselement mit dem Rest des Wafers verbinden und gegen den
Widerstand des Torsionsbalkens eine gewisse Schwenkbewegung erlauben.
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Beide
Reflektionselemente können gemäß der
Erfindung Teil desselben Wafers sein. Sie sind dann typischerweise
auf dem Wafer nebeneinander mit Abstand angeordnet. Es ist dann
weiter vorteilhaft vorgesehen, dass die Reflektionsflächen
der beiden Reflektionselemente beide einem festen Reflektor zugewandt
sind, der im Lichtweg zwischen den beiden Reflektionselementen liegt.
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Diese
Anordnung, bei der ein Strahl zunächst auf einen ersten
Reflektionskörper fällt, von dessen Reflektionsfläche
zu einem festen Reflektor zurück reflektiert und von diesem
zu einem zweiten Reflektionselement gelenkt wird, wird wegen der charakteristischen
Form des Strahlenwegs „W-Spiegel-Anordnung” genannt.
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Dabei
kann die Drehachse des ersten Reflektionselementes in der Einfallebene
des einfallenden Strahls liegen. Durch das erste Reflektionselement
wird dann der Strahl seitwärts aus der Einfallebene heraus
aufgefächert, so dass das zweite Reflektionselement eine
gewisse Mindestgröße haben muss, um den aufgefächerten
Strahl aufzufangen und weiter zu lenken.
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Vorteilhaft
wird das erste Reflektionselement für die Umlenkrichtung
verwendet, die eine schnellere Spiegelbewegung verlangt, das heißt
beispielsweise bei einer Bilddarstellung für die Zeilenablenkung.
Ein solcher Spiegel kann besonders günstig im Eigenfrequenzmode
betrieben werden, beispielsweise bei einer Schwingungsfrequenz nahe
20 kHz. Diese Frequenz ist für den zweiten Spiegel, der
aus oben genannten Gründen größer ausgeführt
werden muss, schwieriger und nur unter Anwendung größerer
Kräfte zu erreichen.
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In
dem ausgeführten Beispiel könnte der zweite Spiegel
langsamer bewegt werden und in einer Schwenkebene geschwenkt werden,
die zu der Schwenkebene des ersten Reflektionselementes senkrecht
steht, um beispielsweise bei einem Bild die Weiterbewegung eines
Strahls von Zeile zu Zeile zu bewirken (Vertikalablenkung).
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Für
die beschriebene Ablenkung der Reflektionselemente können
beispielsweise bei dem ersten Spiegel im resonanten Betrieb bei
einer Frequenz von 20 kHz Feldstärken von 0,1 Tesla ausreichen, wenn
der entsprechende Leiter durch 3 Windungen gebildet ist und der
Strom 70 mA pro Windung beträgt. Es können dann
beispielsweise Auslenkungen im Bereich von 7° erreicht
werden.
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Für
die langsamere Achse ist beim Magnetantrieb im nichtresonanten Mode
unter den genannten Bedingungen ein stärkeres Magnetfeld
von wenigstens 0,3 Tesla erforderlich.
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Bei
diesen Magnetfeldstärken erweist es sich jedenfalls als
vorteilhaft, wenn die entsprechenden Windungen/Wicklungen senkrecht
zur Magnetfeldrichtung, das heißt senkrecht zur Ausrichtung
des Streuflusses an der jeweiligen Stelle, verlaufen.
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Als
besonders vorteilhaft kann es sich auch erweisen, wenn die Drehachse
des ersten Reflektionselementes senkrecht zur Einfallebene des einfallenden
Strahles liegt.
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In
diesem Fall bleibt der durch den ersten Spiegel reflektierte Strahl
in der Einfallsebene, so dass der zweite Strahl, der nach einer
Reflektion an dem festen Reflektionselement erreicht wird, seine größte
Ausdehnung ebenfalls in der Richtung der Einfallsebene haben sollte.
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Damit
ergibt sich, dass der gesamte Chip beziehungsweise der Körper,
an dem die beiden Reflektionselemente angeordnet sind, insgesamt
besonders schmal in Richtung der Einfallsebene sein kann. Die Herstellung
auf einem Chip erlaubt reduzierte Kosten für die Montage.
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Das
entsprechende Magnetfeld wird bei einer erfindungsgemäßen
Einrichtung vorteilhaft durch einen Permanentmagneten, insbesondere
ausschließlich einen einzigen Permanentmagneten, geliefert.
Es wäre denkbar, auch einen Elektromagneten zu verwenden,
jedoch wäre hierzu eine genaue Steuerung des Stroms erforderlich,
die sich bei Verwendung eines Permanentmagneten vermeiden lässt.
Der entsprechende Permanentmagnet kann beispielsweise auch erst
nach dem Einbau in die Umlenkeinrichtung passend magnetisiert werden,
um die Montage zu erleichtern.
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Die
entsprechenden Flussleitelemente bestehen aus sehr weichmagnetischen
Werkstoffen mit geringer Remanenz, beispielsweise Permalloy, das eine
extrem hohe Permeabilität aufweist und in verschiedensten
Formen hergestellt werden kann.
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Die
Erfindung bezieht sich außer auf die beschriebene Umlenkeinrichtung
auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Umlenkeinrichtung, bei
dem die Stromstärken durch auf den Reflektionselementen
angeordnete Spulen derart gesteuert werden, dass die sich aus dem
magnetischen Streufeld der jeweiligen Luftspalte ergebende Lorenzkraft
die gewünschte Winkelauslenkung des jeweiligen Reflektionselementes
ergibt.
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Mittels
der Stromstärke durch die entsprechenden Leiter lässt
sich die Auslenkung der Reflektionselemente sehr genau regeln und
sehr schnell nachführen, insbesondere da die entsprechenden Zusammenhänge
zwischen der Lorenzkraft und dem Strom weitgehend linear sind.
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ZEICHNUNGEN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrieben.
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Dabei
zeigt
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1 zwei
Reflektionselemente, die auf einem Chip integriert sind;
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2 einen
Strahlengang durch eine Umlenkeinrichtung;
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3 eine
weitere Waferanordnung mit zwei integrierten Reflektionselementen;
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4 einen
typischen Streuflussverlauf in einem magnetischen Kreis;
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5 die
Wechselwirkung eines Streuflusses mit einem Reflektionselement;
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6 einen
Windungsverlauf auf einem Reflektionselement;
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7 eine
dreidimensionale Anordnung von Flussleitelementen;
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8 eine
weitere dreidimensionale Anordnung von Flussleitelementen
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9 eine
Anordnung von Flusselementen in mehreren Ebenen;
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10 einen
Streufluss an einem Magnetspalt mit Querschnittsänderung
der Flussleitelemente;
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11 schematisch
ein Herstellungsverfahren für die Magnetanordnung;
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12 schematisch
ein weiteres Herstellungsverfahren für eine Magnetanordnung;
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13 einen
Gesamtaufbau mit Flussleitelementen und einem Funktionssubstrat;
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14 Anordnung
von Flussleitelementen für eine Vielzahl von Umlenkeinrichtungen
in der Massenherstellung:
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15 den
Einbau von Flussleitelementen mit einem Funktionssubstrat in ein
Magnetjoch.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt
schematisch ein Funktionssubstrat 1 in Form eines Wafers,
aus dem durch Ätzen von Schlitzen 2, 3 Reflektionselemente 4, 5 in
Form von ebenen Spiegeln herausgearbeitet sind. Beim Ätzen der
Schlitze 2, 3 werden Verbindungen von den Reflektionselementen 4, 5 zum
Rest des Funktionssubstrats 1 in Form von Torsionsbalken 6, 7 stehen
gelassen, die die Reflektionselemente positionieren und bei einer
Schwenkbewegung um die jeweilige Achse 8, 9 eine
Torsionsgegenkraft aufbringen, die in erster Näherung linear
vom Schwenkwinkel abhängt.
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Die
Schwenkachsen 8, 9 der beiden dargestellten Reflektionselemente
stehen senkrecht aufeinander, so dass ein nacheinander auf die Elemente fallender
Lichtstrahl in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden kann.
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Ein
Antrieb der Schwenkbewegung findet über eine Lorentzkraft
statt, indem stromdurchflossene Leiterwindungen auf den Reflektionselementen 4, 5 jeweils
mit einem magnetischen Streufluss interagieren, wobei die magnetischen
Streuflüsse in x- und y-Richtung durch Pfeile 10, 11 in
der Figur dargestellt sind.
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Die
elektrischen Leiter verlaufen bei dem ersten Reflektionselement 4 in
x-Richtung, bei dem zweiten Reflektionselement in y-Richtung, so
dass der jeweilige Streufluss senkrecht auf der Leiterrichtung steht.
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Die
Leiterwindungen können beispielsweise durch mikromechanisches Ätzen
in die Oberfläche der Reflektionselemente 4, 5 eingebracht
sein und werden über nicht dargestellte elektrische Anschlüsse
mittels einer Ansteuereinrichtung gezielt mit einem Strom beaufschlagt, über
den die Kraftwirkung auf das jeweilige Reflektionselement 4, 5 und
damit die Auslenkung gesteuert wird.
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In
der 2 ist ein typischer Strahlengang durch eine erfindungsgemäße
Umlenkeinrichtung mit einem einfallenden Strahl 12 und
einem ausfallenden Strahl 13 dargestellt, wobei der Strahl
im wesentlichen eine W-Form durchläuft und nach Passieren des
ersten Reflektionselementes 4 von einem feststehenden Reflektor 14 auf
das zweite Reflektionselement 5 und von dort weiter reflektiert
wird.
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Die
Schwenkachsen der Reflektionselemente 4, 5 sind
in der 2 für das erste Reflektionselement gestrichelt,
für das zweite Reflektionselement 5 punktförmig
dargestellt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Strahlengang ergibt sich im Zusammenhang
mit der Anordnung aus der 1, dass
das erste Reflektionselement 4 bei einer Schwenkbewegung
den einfallenden Strahl 12 aus der Einfallsebene heraus
ablenkt. Es findet somit eine Auffächerung des Strahls
in y-Richtung statt. Das zweite Reflektionselement 5 muss
daher in y-Richtung größer ausgeführt
sein, um den durch das erste Reflektionselement aufgefächerten
Strahl vollständig reflektieren zu können.
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Dadurch
ergibt sich bei dem zweiten Reflektionselement 5 eine größere
Masse und damit grundsätzlich ein größerer
Kraftbedarf, um eine entsprechend hohe Beschleunigung für
eine schnelle Ansteuerung zu ermöglichen. Bei einem Strom
von 70 mA und 12 Windungen sollte die magnetische Feldstärke
des Streuflusses 10 dort wenigstens 0,3 Tesla betragen.
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Für
das kleinere erste Reflektionselement 4 kann, insbesondere
wenn dies in einem resonanten Mode betrieben wird, 0,1 Tesla bei
entsprechender Strombeaufschlagung ausreichen.
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Die 3 zeigt
eine Variante, bei der die Schwenkachse des ersten Reflektionselementes 4 um
90° gedreht ist, so dass dies eine Auffächerung/Ablenkung
des Strahls innerhalb der Einfallsebene bewirkt. In der Folge muss
das zweite Reflektionselement 5 ebenfalls um 90° gedreht
werden, so dass dessen längste Achse mit dem ersten Reflektionselement
fluchtet. Damit kann die Breite b des entsprechenden Wafers 1a kleiner
gewählt werden als bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel. Zur Erzeugung der für den
Antrieb benötigten Magnetfelder wird vorteilhaft ein Permanentmagnet 15 eingesetzt,
der aus einem hartmagnetischen Material besteht und dessen magnetischer
Fluss über ein Joch mit zwei Schenkeln 16, 17 und
zusätzlichen Flussleitelementen 18, 19 wenigstens
größtenteils geschlossen ist. In der 4 ist
ein magnetischer Spalt dargestellt, der zwischen den Flussleitelementen 18, 19 besteht
und der von einem Streufluss 20 überbrückt ist.
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In
der 5 ist weiter dargestellt, dass in dem Streufluss 20 ein
Reflektionselement 4 angeordnet ist, mit einer Schwenkachse 9 und
elektrischen Leitern 21, 22, die gegensinnig von
Strom durchflossen sind. Durch die Komponente des Streuflusses in Richtung
des Pfeiles 23, das heißt in der Verlängerungsrichtung
zwischen den Flussleitelementen 18, 19 und der
Stromrichtung in den Leitern 21, 22, ergibt sich
eine Lorentzkraft, die in der Figur durch die Pfeile 24, 25 dargestellt
ist und die zu einer Schwenkbewegung des Reflektionselementes 4 führt.
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In
der 6 ist eine typische Leiterführung auf
der Oberfläche des Reflektionselementes 4 dargestellt,
wobei typischerweise eine Mehrzahl von Wicklungswindungen vorgesehen
ist.
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In
der 7 ist eine Anordnung mit einem einzigen Permanentmagneten 15 dargestellt,
dessen magnetischer Fluss an verschiedenen Luftspalten Streuflüsse
mit unterschiedlichen Richtungen erzeugt.
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Dazu
sind an die Schenkel 16, 17 ein erstes Flussleitelement 19 in
Form einer ebenen Platte und ein zweites Flussleitelement 18 ebenfalls
in Form einer Platte angeschlossen, wobei zwischen diesen ein erster
Luftspalt 26 mit einem entsprechenden Streufluss 27 gebildet
ist.
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Innerhalb
des Luftspaltes 26 ist ein hochpermeabler Balken 28 ohne
Verbindung zu einem Flussleitelement angeordnet, der zu einer Verlängerung des
Streuflusses 27 führt.
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Im
Bereich des plattenförmigen Flussleitelements 19 ist
ein Teil des Flusses über einen Balken 29 abgezweigt
und rechtwinklig über den Balkenschenkel 30 und
bis zu dem Polschuh 31 weitergeleitet. Von diesem aus schließt
sich der zweite Luftspalt 32 zu dem Balken 33 an,
der durch einen Streufluss senkrecht zur Zeichenebene überbrückt
ist. Dieser ist mit Pfeilen 34 bezeichnet.
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Die
beiden Streuflüsse 27, 34 stehen damit im
wesentlichen senkrecht aufeinander und können zum Antrieb
verschiedener Reflektionselemente oder zum Antrieb eines Reflektionselementes
an verschiedenen Stellen ausgenutzt werden. Dazu kann ein Wafer
auf die ebene Flussleitelementanordnung aufgelegt werden, der von
den entsprechenden Streuflüssen 27, 34 durchsetzt
ist.
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In
der 8 ist eine weitere Anordnung von Flussleitelementen
gezeigt, wobei ein erster Luftspalt 35 zwischen einer Platte 36 und
einem Balken 37 gebildet ist, während ein zweiter
Luftspalt 38 zwischen einem Balken 39 und einem
weiteren Balken 40 gebildet ist. Die beiden Luftspalte 35, 38 sind
durch Streuflüsse überbrückt, die im
wesentlichen parallel zur Zeichenebene verlaufen und parallel zueinander sind.
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Die
genannten Streuflüsse sind Teilflüsse, die im
Zuge des Gesamtflusses des Magneten 15 zueinander parallel
geschaltet sind.
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Zudem
ist ein dritter Luftspalt 41 vorgesehen, der von dem Balken 42 zu
dem Balken 43 führt und einen Streufluss senkrecht
zur Zeichenebene erzeugt.
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Mit
dieser Anordnung lassen sich an drei verschiedenen Stellen magnetische
Antriebe mit teilweise unterschiedlichen Antriebsrichtungen realisieren.
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In 9 ist
eine Konfiguration mit verschiedenen Flussleitelementen dargestellt,
die nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen sondern dreidimensional
verteilt sind.
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Der
Permanentmagnet 15 ist mit zwei Jochschenkeln 16, 17 versehen,
wobei sich von dem Jochschenkel 17 aus ein plattenförmiges
Flussleitelement 44 erstreckt. Oberhalb des Flussleitelementes 44 ist
ein Balken 45 vorgesehen, der mit dem Jochschenkel 16 verbunden
ist. Hierdurch wird ein Luftspalt 46 gebildet, wobei der
diesen überbrückende Streufluss 47 sich
im Wesentlichen vertikal in Richtung des Pfeils 48 erstreckt.
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Zudem
ist an dem Jochschenkel 16 ein weiteres plattenförmigen
Flussleitelement 49 vorgesehen, das dem Flussleitelement 44 gegenüber
steht und gegenüber diesem parallel nach oben von dem Permanentmagneten 15 weg
verschoben ist. Es ergibt sich ein Luftspalt 50, der durch
einen Streufluss 51 in leicht schräger, nahezu
horizontaler Richtung, angedeutet durch den Pfeil 52, erstreckt.
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Bei
der beschriebenen Konstellation von Flussleitelementen kann beispielsweise
ein Wafer mit integrierten Reflektionselementen auf das plattenförmige
Flussleitelement 44 im Bereich des Luftspaltes 46 aufgelegt
werden, um den Streufluss 47 zu nutzen. Gleichzeitig kann
auch der Streufluss 51 im Bereich des Luftspaltes 50,
der nahezu senkrecht zu dem Streufluss 47 verläuft,
genutzt werden.
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Zudem
sind andere Konfigurationen von Flussleitelementen in mehreren Dimensionen
denkbar.
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In
der 10 ist eine Ausbildung eines Luftspaltes 53 zwischen
einem Flussleitelement 54 und einem Flussleitelement 55 dargestellt,
wobei das Flussleitelement 55 im Bereich seines Endes eine wesentlich
geringere Querschnittsfläche aufweist als das Flussleitelement 54.
Damit ergibt sich im Bereich des Luftspaltes 53 außer
der Unterbrechung der Flussleitelemente zudem ein Parametersprung,
wodurch der Streufluss 56 gezielt beeinflusst werden kann.
Ein derartiger Parametersprung kann beispielsweise auch durch die
Kombination verschieden permeabler Materialien für verschiedene
Flussleitelemente oder Teile von Flussleitelementen erreicht werden.
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Es
ist im übrigen auch denkbar, lediglich eine Einschnürung
an einem Flussleitelement vorzusehen, um einen entsprechenden Luftspalt
zu schaffen, der den benötigten Streufluss erzeugt.
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In
der 11 ist schematisch in einem Querschnitt ein Körper 57 gezeigt,
der beispielsweise aus einem Kunststoff, zum Beispiel aus einem
Epoxidharz besteht und der Ausnehmungen 58 für
Flussleitelemente aufweist. Die entsprechenden Flussleitelemente 59, 60 können
beispielsweise durch Gießen in den Ausnehmungen 58 angeordnet
werden. Nach dem Gießen kann der so entstandene Compoundkörper
durch Schleifen geglättet werden.
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In
der 12 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung
entsprechender Körper mit Flussleitkörpern gezeigt,
wobei zunächst hochpermeables Granulat 61 in die
entsprechenden Ausnehmungen des Körpers 57 platziert
und dann mit einem Reflow-Verfahren verflüssigt wird. Es
kann sich, wie mit 57a bezeichnet, ein Körper
mit unregelmäßigen Konturen ergeben, der geschliffen
werden kann, um ein glattes Endprodukt 57b zu erhalten.
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Es
ist auch denkbar, die Flussleitelemente in die Ausnehmungen 58 einzuprägen
und/oder dort unter Druck zu sintern.
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13 zeigt
im Querschnitt eine Kombination aus einem Funktionssubstrat 1 mit
Reflektionselementen, das auf einen Körper 57 mit
unterbrochenen Flussleitelementen 58, 59 aufgesetzt
ist, so dass das ausgekoppelte Streufeld mit den Leitern auf den
Reflektionselementen Wechselwirken kann.
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Der
Körper 57 weist vorbereitete Trennstellen 60 zur
Vereinzelung auf.
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In
der 14 ist eine Mehrzahl von gleichartigen Magnetanordnungen
zellenartig dargestellt, wobei bei der mittleren Zelle 62 die
Abdeckung durch ein Funktionssubstrat der Übersichtlichkeit
halber weggelassen ist.
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In
der 15 ist ein Modul 63, bestehend aus einer
Anordnung von Flussleitelementen und einem auf diese aufgebrachten
Funktionssubstrat mit Reflektionselementen 4, 5 dargestellt,
das insgesamt zwischen die Schenkel einer Magnetanordnung gebracht
wird.
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Durch
eine modulare Bauweise sowohl der Flussleitelemente als auch im
Zuge der Waferherstellung des Funktionssubstrates lässt
sich die Herstellung von Umlenkeinrichtungen stark rationalisieren und
damit sehr kostengünstig gestalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0778657
A1 [0009]
- - WO 2005078509 A2 [0012]